高速铁路CRTSⅡ型轨道板裂缝分析与预防

贺志荣，贾德华，杨 格

(1.中铁二局股份有限公司，成都 610031;2.中国铁道科学研究院，北京 051130;3.中铁二局新运公司，成都 610031)

京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁均采用了板式无砟轨道技术，轨道板为混凝土结构，由于混凝土抗拉能力差，轨道板易开裂。通过对石武高速客专元氏轨道板场工艺试生产CRTSⅡ型板过程中各种裂缝的研究，找到了一些裂缝的控制方法，供参考。

1 轨道板裂缝的分类及成因分析

轨道板是钢筋混凝土结构，元氏轨道板场试生产过程中的CRTSⅡ型轨道板混凝土出现裂缝，追溯轨道板产生的原因可分为以下几类:①由荷载效应产生的裂缝;②混凝土收缩产生的裂缝;③钢筋锈蚀产生的裂缝;④碱骨料反应产生的裂缝;⑤预应力张拉不当产生的裂缝;⑥温度裂缝;⑦施工工艺不当产生的裂缝;⑧冻胀裂缝。

1.1 荷载裂缝

在设计计算过程中，荷载工况考虑不周，配筋不合理，结构尺寸不足，构造处理不当，且施工阶段不按图纸施工等均有可能产生荷载裂缝。由于轨道板有“起吊”这一工序，在起吊过程中如果吊点位置设计不合理，很可能产生较大的弯矩，而使得轨道板开裂。

荷载裂缝一般与受力钢筋呈正交或斜交状态。若裂缝是由于钢筋与混凝土黏结应力过大造成的，则该裂缝方向与钢筋长度方向一致，且呈针状或劈裂状，见图1。

1.2 收缩裂缝

混凝土是由气、液、固三相组成的假固体(指浇筑过程到养护)，其中尚有未水化的水泥颗粒，还要吸收周围的水分。另外液、固相间的胶凝体，因水分散失，体积会缩小，引起收缩裂缝。在实际施工工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。混凝土收缩裂缝可分为以下4种:干燥收缩裂缝、自生收缩裂缝、碳化收缩裂缝、塑性收缩裂缝。

图1 轨道板荷载裂缝

1.2.1 干燥收缩裂缝

混凝土凝结硬化之后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，产生缩水收缩(干缩)。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当这种拉力超过其抗拉强度，便产生收缩裂缝，混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。

1.2.2 自生收缩裂缝

在水泥水化的过程中，水泥与水发生水化反应，水化后体积会收缩，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的(即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土)，也可以是负的(即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土)。

1.2.3 碳化收缩裂缝

此类裂缝是因受空气中CO2的作用而导致水泥砂浆体积缩小现象。影响混凝土碳化收缩的两个最基本因素是CO2的浓度和湿度。CO2作为一个反应物，当然浓度越高，碳化反应越迅速，因而碳化收缩也越大。但湿度却不然，当相对湿度为55%时，碳化收缩达最大值。当相对湿度＞55%时，碳化收缩随相对湿度的增加而减小;当相对湿度＜55%时，碳化收缩则随相对湿度的减小而减小;当相对湿度＜25%时，碳化收缩几乎停止。

1.2.4 塑性收缩裂缝

塑性收缩往往发生在施工过程中，混凝土浇筑后4～5 h左右，此时水泥水化反应剧烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉。因此时混凝土尚未硬化，所以成为塑性收缩。塑性收缩时产生的毛细管压力值可达到0.021 MPa左右，毛细管压力引起的拉应力使固体颗粒凝聚而使混凝土表面收缩，就产生塑性收缩裂缝，见图2。

图2 轨道板收缩裂缝

1.3 锈蚀裂缝

轨道板混凝土保护层受空气中的二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低;或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜被破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水发生锈蚀反应，其锈蚀物中氢氧化铁的体积比原来增长约2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，即锈蚀裂缝。

1.4 碱骨料反应裂缝

碱骨料反应(简称ASR)是指水泥中的碱性物质与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象。碱骨料反应因时间较为缓慢，不易在短时间内被发现，给混凝土工程带来的危害是相当严重的。

发生碱骨料反应需要具有三个条件:首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高;第二是骨料中有相当数量的活性成分;第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。因元氏轨道板场地处河北腹地，空气干燥，且各项原材料指标多方控制较严，目前还未检测到此类裂缝［1］。

1.5 预应力施工不当产生的裂缝

在混凝土没有达到规定强度时就进行预应力张拉(先张法)，张拉系统放张不同步或放张速度过快造成应力释放不均衡，或其它放张方法不当，都会引起张拉、放张裂缝［2］。

1.6 温度裂缝

轨道板混凝土同样具有热胀冷缩的性质，特别是冬季施工时厂房内温度只能达到10℃～15℃之间，而混凝土浇筑完成养护16 h脱模时，板体表面温度在30℃～40℃之间，较大的温差使轨道板第五条预裂缝处出现细小裂纹，这已影响板场轨道板体质量。当外部环境或结构内部温度发生变化时，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在内部将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。

1.7 施工工艺不当造成的裂缝

混凝土施工过程中未严格按照工艺要求进行质量控制，则有可能产生施工裂缝，主要原因有:

1)拌制混凝土时不按配合比计量，任意加水，致使浇筑质量不均匀，收缩不一致产生裂缝。

2)轨道板模型下五个支腿的位置不合适需要调整，或混凝土从搅拌到浇筑的时间过长，致使大量网状不规则的裂缝产生;

3)轨道板脱模油使用不当造成脱模阻力不均衡，脱模前没有吹气松动轨道板或吹气孔堵塞，脱模时混凝土强度值不够高，需要延长养护时间，或其它由于未按照规范要求养护造成轨道板表面混凝土开裂;

4)轨道板脱模前真空吊具的五个伸出腿不同步，造成预裂缝处产生裂纹，吊装起板过程中吊具的吊点设计不合理或没有做到轻吊轻放也可能导致成品板开裂［2］。

1.8 冻胀裂缝

冬季施工时，外部环境气温一般为 －10℃ ～0℃，厂房内温度一般为10℃ ～15℃，厂房内外温差＞15℃以上，无法满足轨道板出厂温差＜15℃的要求，若因车间内没有采取防冻措施，使混凝土受冻而产生裂缝，即称为冻胀裂缝。

2 轨道板裂缝预防措施

2.1 荷载裂缝的防治

轨道板开裂极有可能是由于吊点位置不当造成的。因此，在进行吊点位置布置之前，应对整个起吊过程进行正确的受力分析，确定合理的吊点位置。

真空吊具按照原设计，起吊点中心距CRTSⅡ型轨道板两端的间距为1.35 m，起吊点到板中的距离为1.90 m，在起板过程中，板中所受弯矩最大。一块CRTSⅡ型轨道板按8.5 t计，摩阻系数按0.2计。则中部产生－5.9 kN·m的力矩。底部受拉，顶部受压，轨道板受力分析见图3。

图3 轨道板受力

元氏轨道板场把吊点向内侧各移55 cm后，中部产生的力矩为5.9 kN·m，底部受压，顶部受拉，而CRTSⅡ型轨道板顶部加设了预应力钢筋，抗拉效果很好，能充分承受拉力，同时平缓起吊，防止受力不均或受扭，以上措施运用得当，可以最大限度避免轨道板中间第五条预裂缝开裂(见图4)。

图4 改装后的真空吊具起吊作业

2.2 收缩裂缝的防治

满足施工要求的前提下，混凝土坍落度尽可能小;混凝土的配合比应保证混凝土有良好的稠度和保水性;适当增加混凝土表面钢筋的保护层厚度;应选择干缩率较小的水泥和骨料。

2.3 锈蚀裂缝的防治

采用足够的保护层厚度，施工时应严格控制混凝土水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量。

目前板场除φ20 mm精轧螺纹钢筋外，大部分采用环氧树脂涂层钢筋，并且CRTSⅡ型轨道板采用工厂化施工生产，钢筋基本上无锈蚀情况，因此这类裂缝极少发生。

2.4 碱骨料反应裂缝的防治

1)控制混凝土中含碱量。由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥，还可从外加剂、水，甚至有时从骨料(例如海砂)中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。

2)隔绝水和湿空气的来源。如果能在混凝土工程发生碱骨料反应的部位有效地隔绝水和空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。

3)采用非活性骨料。大多数骨料不具有碱活性，但必须通过试验来判定;当轨道板承受水湿作用或持久裸露于潮湿环境或接触于湿土时，其砂、石骨料是不得含有可与水泥中碱发生破坏性反应并使混凝土出现过度膨胀的达致害量的活性物质的;除非是所用水泥含碱低于0.6%或掺用经证明可预防ASR有害膨胀的混合材，这才可以使用含活性物质的沙、石骨料［1］。

4)掺用混合材料。掺适量的矿渣、粉煤灰、硅灰等混合材料对预防有害的ASR是有效的，当然，混合材料对ASR的抑制效果可随其种类、特性、掺量等而有不同，宜通过多次具体试验研究确定。

掺用引气剂引入混凝土中大量的充分分散的微细气泡，可消纳ASR的相应胶凝量，起到缓解ASR的相应有利作用。

2.5 预应力施工不当产生的裂缝的防治

CRTSⅡ型轨道板采用整体先张法施工，在混凝土施工养护结束后进行整体放张作业，在放张时，先对CRTSⅡ型轨道板进行超张拉，待松开张拉油缸保险卡环后再进行放张作业，混凝土先受拉，后受压，因此混凝土强度要大于放张时所产生的应力，必须缓慢放张预应力筋。

2.6 温度裂缝的防治

在轨道板内部设置测温装置，严格控制轨道板芯部温度，使轨道板内外温差在可控范围之内。根据CRTSⅡ型轨道板施工所采集的实际温度数据，一般在16 h放张作业时混凝土芯部温度在45℃～55℃之间，与环境内外温差都＞20℃，所以要采用相关措施来降低混凝土温差:

1)厂房内升温，保证温度在20℃ ～25℃之间，以此保证轨道表面与环境温度之差＜20℃;

2)根据板场前期所做试验，轨道板养护时间延长至20～24 h(14 h后采取降温措施)，使板芯温度在自然状态下缓慢降低到35℃ ～40℃之间，能有效地降低轨道板中间第五条预裂缝开裂的机率。

2.7 施工工艺不当造成的裂缝的防治

1)混凝土浇筑时，模板温度及混凝土入模温度应控制在10℃～30℃。如温度过低或过高则应采取升温或降温措施。

2)严格控制混凝土振捣时间，保证振捣密实无过振。

3)加强养护。对轨道板采用土工布覆盖洒水，加盖一层彩条布和一层篷布的养护法，不仅充分利用了施工余水进行养护，而且还在混凝土凝固后对其进行外部洒水，保证湿度。对减少收缩裂缝起着重要作用。蒸汽养护时，升温速度不大于15℃/h，降温速度不大于10℃/h，降温时应先缓慢揭开篷布，待温度稳定后再解开土工布，有了这个缓冲时间，混凝土表面就不会因为温差过大而开裂(见图5)。

图5 轨道板混凝土三层覆盖养护

4)拆模时防止轨道板受到剧烈冲击、碰撞。

5)轨道板堆放场地应平整，垫块设置要合理;轨道板集中存放时，存放层数应满足安全要求;沿线存放时，存放层数宜为2～4层;存放时板面朝上并保持水平，吊装、运输过程中应采取必要的防护措施，防止轨道板损坏［3-5］。

2.8 冻胀裂缝的防治

冬季施工时合理延长轨道板静停养护时间，等板体温度降到20℃左右时(一般要停留30～35 h)，利用中午气温较高时(一般为0℃ ～－3℃)转运轨道板出厂存放，同时注意防冻、保温，防止冻胀裂缝，但一般细小的冻胀裂缝在轻微打磨后便会消失(见图6)。

图6 打磨后的轨道板

3 结论

本文介绍了轨道板裂缝的类型及其成因，并针对不同的开裂原因，提出了相应的预防措施，这些方法和措施在元氏轨道板场正式生产过程中得到了广泛运用和改进，确保了轨道板质量，在铁道部质检中心上道审查时一次性顺利通过。目前这些方法和措施已经应用到京沪、广深港、津秦、杭甬等正在建设的高速铁路、客运专线，推动了我国高速铁路和客运专线的发展，其应用前景广阔。

［1］赵国堂，蔡弘，李刚.CRTSⅡ型板式轨道铺设自动精调系统及设备研究［J］.铁道建筑，2010(11):104-107.

［2］铁道部工管中心.客运专线铁路无砟轨道施工手册［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［3］中华人民共和国铁道部.铁建设［2007］85号 客运专线无砟轨道铁路工程施工质量验收暂行标准［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［4］栾永平.现浇双块式无砟轨道板裂缝控制机理和预防措施［J］.铁道建筑，2010(1):21-22.

［5］李敏霞，许宏伟，焦永刚.新建铁路无砟轨道板养护温度测控研究［J］.铁道建筑，2011(3):109-111.